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1、亚美微波 YAMEI MICROWAVE实验三 波导波长（导内波长）的测量和驻波测量一、实验目的和要求应用所学理论知识，理解和掌握单模矩形波导短路情况下内部电场沿轴线的分布规律。学会利用微波测量系统测量波导内部导行波的相波长（波导波长或称导内波长g）。驻波系数的测量是微波测量中最基本的测量。本实验要求学会利用测量线进行驻波测量。二、实验内容1利用微波测量系统测量波导内部的波导波长g。2用直接法测量电容性、电感性膜片和匹配负载（BD20-7）等的驻波系数。3用等指示度法测量短路情况下（接上短路板）的大驻波系数。三、实验原理当矩形波导（单模传输TE10模）终端（Z0）短路时，将形成驻波状态。波导内
2、部电场强度（参见图三之坐标系）表达式为：在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅度分布如图三所示。将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态（如波节点和波腹点的位置等）。终端短路面0图 三ZXaYb1 测量波导波长（g）将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置（读得对应的游标卡尺上的刻度值Z1节和Z2节），就可求得波导波长为：由于在电压波节点附近，电场（及对应的晶体检波电流）非常小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动”（实际上是
3、眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动），因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），使波节点附近电流变化对位置非常敏感（即小探针位置稍有变化，选频放大器表头指示值就有明显变化）。记取同一电压波节点两侧电流值相同（I0）时小探针所处的两个不同位置（Z1左及Z1右）（电流值越小越精确），则其平均值即为理论节点位置：用相同的方法测得相邻电压波节点（Z2节）处的Z2左及Z2右最后可得（参见图四）Z2右Z2节Z1节I00图 四Z腹Z2左Z1右Z1左IZ注意： 测出一个电压波节点位置之后，将小探针向相邻波节点移动时，要随时
4、加大选频放大器的衰减量，以防选频放大器电流表过载损坏！ 为检验测量的准确性，可以应用理论公式进行验算：其中：，2 测量电压驻波比（）驻波系数测量是微波测量中最基本的测量。通过驻波测量，不仅可以了解传输线上的场分布，而且可以测量阻抗、波长、相位移、衰减、Q值等其它参量，传输线上存在驻波时，能量不能有效地传到负载，这就增加了损耗；大功率传输时，由于驻波的存在，驻波电场的最大点处可能产生击穿打火，因而驻波的测量以及调配是十分重要的。根据驻波系数定义，可知的取值范围为1，通常按的大小可分三类： 3为小驻波比 ； 310为中驻波比 ； 10为大驻波比。驻波系数的测量方法很多，有测量线法、反射计法、电桥法
5、和谐振法等，用测量线进行驻波系数测量的主要方法及应用条件由表列出：表 用测量线测驻波系数的方法及应用条件测试方法应用条件直接法中小驻波比10等指示度法大驻波比10功率衰减法适用任意驻波比节点偏移法适用源驻波比移动终端法适用测量线剩余驻波比这里我们将介绍用测量线测量驻波比的直接法和等指示度法。（1）直接法：测试方框如图1。在测量线的端口连接待测的微波元器件。将测量线探头沿线移动，测出相应各点的驻波场强分布，找到驻波电场的最大点与最小点，直接代入公式（3）就可以得到其驻波比。如测量线上的晶体检波律为n，则： 为输出电表指示。通常在实验室条件下检波功率电平较小，可以认为基本特性为平方律，即n2，有为
6、提高测量精度，必须尽量使电表指针偏在满刻度以上。当驻波系数在1.051.5时，由于驻波场的最大与最小值相差不大，且变化不尖锐，不易测准。为提高测量准确度，可移动探针到几个波腹与波节点，记录数据，然后取其平均值。直接法的测试范围受限于晶体的噪声电平及平方律检波范围。本实验中使用的选频放大器已近似按平方律检波的规律，直接标出驻波比小于10的刻度，可读出驻波比值。方法是：测量线滑座调到波腹点，调节选频放大器的衰减旋钮，使表头指示值到满刻度。然后调节测量线滑座至波节点（即指示最小值）。此时选频放大器驻波比刻度的值即为负载的驻波比。如驻波比4，则“分贝”开关增加10dB，读下刻度3.210的刻度值。（2
7、）等指示度法（二倍最小法）：当被测器件的驻波系数大于10时，由于驻波最大与最小处的电压相差很大，若在驻波最小点处使晶体输出的指示电表上得到明显的偏转，那么在驻波最大点时由于电压较大，往往使晶体的检波特性偏离平方律，这样用直接法测量就会引入很大的误差。等指示度法是通过测量驻波图形在最小点附近场强的分布规律，从而计算出驻波系数，如图五所示。若最小点处的电表指示为Z，在最小点两边取等指示点，两等指示度点之间的距离为W，有，设晶体检波律为n，由驻波场的分布公式可以推出： （1）通常取K2（二倍最小法），且设n2，有 （2） W Z1节 Zmin Z2节 D 图五 最小点附近场分布当10时，上式可简化为
8、 （3）只要测出波导波长及相应于两倍最小点读数的两点Z1节、Z2节之间的距离W，代入（3）式，即可求出驻波比。可以看到，驻波系数越大，的值就愈小，因而，宽度W和波导波长的测量精度对测量结果的影响很大，特别是在大驻波比时，须要用高精度的位置指示装置如千分表，测量线探针移动时应尽可能朝一个方向，不要来回晃动，以免测量线齿轮间隙的“回差”影响精度，在测量驻波最小点位置时，为减小误差，亦必须采用“交叉读数法”。3BD20-7匹配负载 S1.05BD20-7匹配负载在一个终端短路的波导中沿电场方向，即波导的轴线位置有一劈形的镀镍铬的玻璃吸收片。吸收片相对于法兰的距离是固定的。四、实验步骤1用直接法测量驻
9、波比小于10的负载的驻波比。在测量线的输出端分别接上 容性膜片匹配负载 S1.3 感性膜片匹配负载 S1.9 N8探头（功率计附件） S1.6 匹配负载 S1.051.1按实验一连接微波测试系统。在测量线的输出端接上容性膜片+匹配负载。1.2接通信号源电源，工作状态置“”方波工作方式。选频放大器的输入电缆接测量线Q9插座，接通选频放大器电源。按实验一要求调整微波测试系统。1.3调节测量线调谐活塞，使选频放大器指示最大。调节“衰减”旋钮，使指针位于满度（1000）处。移动测量线滑座，找到波节点。在选频放大器的第二根曲线上直读出电容膜片插入的驻波比。例：S1.35。实验者可移动测量滑座找不同的波腹
10、点、波节点，并读出驻波比。1.4用上述方法分别测出感性膜片、N8探头和匹配负载等的驻波比。注：在拆负载前，请将信号源工作状态置于“外整步”，装好后再置“”方波状态。2波导波长（g）的测量2.1在测量线的输出端接上短路板。2.2信号源置于“”方波状态，并记下此时信号源工作频率。例10.00GHz。2.3由于测量线终端接短路片，波导内形成驻波状态。移动测量线到波节点附近。注意：再按实验原理中的有关讲解，用“平均值法“测得有关数据（或经计算）填入下表：1号波节点Z1左Z1右Z1节2号波节点Z2左Z2右Z2节g（测量值）g（理论值）3大驻波比的测量（等指示度法）3.1在测量线输出端，接上短路板，移动位
11、置，顶上千分表。3.2再按实验原理中的有关介绍。通过千分表，用交叉读数法，求得W值。根据上步实验得出的g。通过公式：可算求大驻波比。例：波节点时选频放大器指示为100，则。测得W。提示：可通过增大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），同时可适当增大信号源的输出功率（“衰减调节“旋钮逆时针转动），使波节点指示增大。注：先从一个方向移动测量线滑座到选频放大器指示在200，记下千分表刻度，例千分表外环指针指在49。同一方向移动测量线滑座到选频放大器指示减小到100，再同方向移动测量线滑座到选频放大器指示又在200时，记下千分表刻度。例千分表外环指针指在56，则。工作频率10.00GHz，测得g39.8mm，计算注意：1. 寻找波节点时，需调整选频放大器“增益”按钮，放大波节点的能量显示。2. 由于W在分母位置且数值很小，所以要求尽量精确以减小误差，需考虑齿轮间隙产生的误差。3. 由于千分表的量程只有10mm左右，而在终端短路时，波长为40mm左右，所以千分表量程中不一定含有波节点。此时需调节千分表的位置，使波节点落在量程，即可测范围内。具体方法为调松千分表旋钮，使之整体可动，移动测量线位置（需顶住千分表）找到波节点，再固定千分表。思考题：1驻波比的定义是什么？2表达反射系数、驻波比和行波系数三者之间的关系。3反射系数、驻波比和行波系数反映负载与传输线的什么关系？- 15 -
